TW201634999A

TW201634999A - 自動對焦方法及應用該自動對焦方法之裝置

Info

Publication number: TW201634999A
Application number: TW104110143A
Authority: TW
Inventors: 蔡嘉倫
Original assignee: 晶睿通訊股份有限公司
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2016-10-01
Also published as: US20160286117A1; US9615020B2; TWI561908B

Abstract

一種自動對焦方法包含：(a) 獲得選定曝光值與校正前對比值，該校正前對比值係對應於一個焦距位置，(b) 進行各焦距位置的校正後對比值取得程序，以及(c) 依據這些校正後對比值，執行焦點搜尋程序。利用校正程序排除曝光值對於對比值的影響，以更正確取得焦點。並且本發明也提供一種應用上述對焦方法的攝影裝置。

Description

自動對焦方法及應用該自動對焦方法之裝置

本發明係有關一種自動對焦方法與應用該方法的裝置，尤其是自動曝光功能與自動對焦功能可同時運作的自動對焦方法與裝置。

影像擷取裝置的自動對焦(AF, Auto Focus)方法之一為對比對焦方法。對比對焦做法大致是影像擷取裝置會移動鏡頭，並於每個焦距位置均擷取一影像及計算所擷取影像的對比值。之後，影像擷取裝置會比對所有的對比值，並以最大對比值所對應的焦距位置做為最佳對焦位置。影像擷取裝置中還包括有自動曝光(AE, Auto Exposure)功能。自動曝光功能是影像擷取裝置會依據拍攝影像時的環境亮度以及預先設定的輸出亮度，於拍攝影像時調整影像擷取裝置的光圈及快門，光圈與快門的改變即可控制進入鏡頭的光線量，如此一來，數位相機所擷取影像將具有一致的亮度。

但是在影像擷取裝置自動對焦的過程中，若自動曝光功能同時作動，由於光圈及快門的改變，會影響所擷取影像的曝光值(EV值)，使得所擷取影像的亮度產生變化，進而影響所擷取影像的對比值，此變動會造成判斷對比值大小時產生誤差，而使影像擷取裝置誤判焦點位置。

為了解決上述問題，傳統的做法是在影像擷取裝置執行自動對焦功能時，鎖定自動曝光功能，直到找到最佳對焦位置後才讓自動曝光功能啟動，但如果在自動對焦功能執行的當下所擷取到的影像是過曝或是過暗，鎖定自動曝光功能的結果將會影響自動對焦的對焦能力，並且使用者也會覺得自動曝光功能的反應速度太慢，反之，如果等到自動曝光功能執行完畢，才啟動自動對焦功能，又會讓使用者覺得自動對焦的反應過慢。有鑒於此，本發明提供了一種自動對焦方法及應用該自動對焦方法之裝置，可讓自動對焦以及自動曝光同時運行，又不會誤判焦點位置，有效提升系統效能。

本發明實施例提供一種自動對焦方法，包含：

步驟a：獲得選定曝光值與校正前的對比值，此校正前對比值係對應於單一的焦距位置。

步驟b：進行校正對比值取得程序，包括：步驟b1 於下一焦距位置，取得下一影像之下一校正前對比值與下一曝光值。步驟b2 判斷此下一曝光值與選定曝光值是否滿足更新條件，其中當下一曝光值與選定曝光值滿足更新條件時候，便更新選定曝光值。步驟b3 依據更新後的選定曝光值，取得與校正前對比值相對應的校正後對比值，並取得與下一校正前對比值相對應的下一校正後對比值。

步驟c：依據全部取得的校正後對比值，執行焦點搜尋程序，包括：步驟c1 依據全部的校正後對比值，判斷是否滿足反轉條件。步驟c2 當反轉條件被滿足時，則輸出最大的校正後對比值所對應的焦距位置步驟。步驟c3 當反轉條件未被滿足時，重複執行校正對比值取得程序。

本發明利用校正程序排除曝光值對於對比值的影響，以正確取得焦點位置，並有效提升系統效能。

本發明實施例提供一種攝影裝置，用以執行如前述之自動對焦方式。

第1圖係各焦距位置之平均對比值變化分佈圖。第1圖中的X軸表示焦距位置(Focus Step)，也可以說是對焦鏡片(Focus Lens)的位移變化。Y軸表示影像的對比值(亦可稱卷積值)的變化。詳言之，自動對焦過程中每個焦距位置取得一個對應的影像，並計算出每個影像的平均對比值，而對比值的計算通常是利用高通濾波器(High Pass Filter)對影像進行卷積(Convolution)以取得其卷積值。也就是以影像的平均卷積值為對比值，一般而言，對比值愈高，影像的清晰度愈佳。第1圖中的每一個點代表一個焦距位置的影像的對比值，也可以說是對焦過程中影像清晰度的變化。

對比對焦的方法是利用對比值的變化來找出影像最清晰的位置，也就是假設對比值愈大代表影像愈清晰。在第1圖中，cv1代表在第一焦距位置所取得之影像的對比值，cv100為最後的焦距位置所取得之影像對比值。在第1圖中明顯可知對比值最大的位置是曲線的頂點，也就是cv50的這個點。因此，可知cv50的對比值為最大，在利用對比對焦的方法之下，對比值最大代表影像最清晰，而該點所對應的焦距位置便是最佳對焦位置。

除了自動對焦以確保影像的清晰程度以外，攝影裝置還具有自動曝光功能。在自動曝光的過程之中，攝影機會依據原廠測光模式或使用人所選定的測光模式，計算目前所取得影像的光線量，來進一步調整擷取影像時的曝光值，以符合預先設定的輸出亮度，避免過曝或光線不足造成取像效果不佳。

第2A圖係曝光值為0EV時影像對比值的示意圖。首先，在曝光值為0EV的狀況下取得一個如第2A圖的影像。由於數位影像皆由複數的像素所組成，對比值的計算是指將相鄰的像素的像素值相減所得到的差異值。簡單舉例而言，圖中X1, X2點的像素值分別為50, 100，其像素值的差值即為100-50=50，而在處理器運算時，則是採用卷積的方式進行，意即，採用濾波值為Filter[1~-1]的高通濾波器，將第2A圖中的二個像素x1及x2[50, 100]進行卷積，可以得到其對比值為50。

第2B圖係曝光值為+1EV時的影像對比值的示意圖。也就假設在相同的焦距位置，但是曝光值為+1EV的狀況下取得一個如第2B圖的影像。圖中可以看出，在相同(X1, X2)位置所得到的像素值為[100, 200]，接著，同樣是利用Filter[1~-1] 的高通濾波器，將第2B圖中的相同位置的二個像素x1及x2進行卷積，則會得到其對比值為100。這是由於當曝光值變動時，會使得影像的亮度產生變化，進而造成影像的對比值也產生變化。實際上第2A及第2B圖是在相同的焦距位置，也就是第2A及2B圖的清晰度應該是相同的，可是由於自動曝光採用了不同的曝光值，第2A及第2B圖就會有不同的對比值。

前述用來計算卷積值的像素值，可以是單色的灰階值，亦可以是三原色(RGB, 紅綠藍)中任一個值，或是RGB三個的整體值都計算，甚至可採用其他色座標取得的像素值進行卷積值的計算。

通常在錄影或拍照的對焦的過程當中，自動對焦與自動曝光功能是連續進行的。當測光模式變動後、環境亮度發生改變後、或是拍測區域的場景內容劇烈改變後，有可能使得自動曝光功能判斷亮度不適當而調整曝光值，如此一來，即會發生前述第2A圖與第2B圖的情形。

第3圖係對焦過程中曝光值變動下各焦距位置之平均對比值變化分佈圖。在第3圖中的CV40~CV45各點是在+1EV的狀態下取得影像，而其他各點是在0EV的狀態下取得影像。當採用相同的高通濾波器取得其卷積值，則可以得到第3圖的變化分佈圖。由於曝光值於+1EV時計算出來的影像平均對比值，是於0EV狀態下計算出來的影像平均對比值的二倍。造成在第3圖中曲線的最高點為cv45而並非cv50，當判讀最佳對焦位時就會產生了誤判。

第4圖係本發明實施例之基本流程圖。為了避免因曝光值的變化而在對焦過程中造成影響，本發明提供一種自動對焦方法，包含：(a) 獲得一選定曝光值與一校正前的對比值，該校正前對比值係對應於一焦距位置， (b1) 於一下一焦距位置，取得一下一影像之一下一校正前對比值與一下一曝光值，(b2) 判斷該下一曝光值與該選定曝光值是否滿足一更新條件，其中當該下一曝光值與該選定曝光值滿足一更新條件時，更新該選定曝光值，(b3) 依據該更新後的該選定曝光值，取得與該校正前對比值相對應的一校正後對比值，並取得與該下一校正前對比值相對應的一下一校正後對比值，(以上b1~b3可以合稱為校正對比值取得程序b)，(c1) 依據全部的該些校正後對比值，判斷是否滿足一反轉條件，(c2) 當該反轉條件被滿足時，則輸出最大的該校正後對比值所對應的該焦距位置，(c3) 當該反轉條件未被滿足時，重複執行該校正對比值取得程序(以上c1~c3可以合稱為執行焦點搜尋程序c)。本發明利用校正程序排除曝光值對於對比值的影響，避免誤判狀況，並可以正確取得焦點位置。

在校正對比值取得程序(b)中，可以採用下列不同的實施例。本發明的第一實施例中，採用最小曝光值EVmin為選定曝光值。也就是更新條件係為當下一曝光值小於選定曝光值時，以下一曝光值做為選定曝光值。換言之，便是以各焦距位置所取得之全部曝光值之中最小的曝光值，做為選定曝光值。

在對焦過程中，首先於第一焦距位置，獲得第一影像及對應於第一影像的第一曝光值與第一對比值。在本步驟中設定第一曝光值為選定曝光值，第一對比值為校正前對比值。

接著在第二焦距位置，獲得第二影像及對應於第二影像的第二曝光值與第二對比值。判斷第二曝光值是否小於第一曝光值，當第二曝光值大於第一曝光值時，仍以第一曝光值做為選定曝光值。但是若第二曝光值小於第一曝光值時，改以第二曝光值做為選定曝光值。並且依據新的選定曝光值、第一對比值與第一曝光值，計算並取得第一焦距位置之校正後對比值，同時亦依據新的選定曝光值、第二對比值與第二曝光值，計算並取得第二焦距位置之校正後對比值。

在第三焦距位置，獲得第三影像及對應於第三影像的第三曝光值與第三對比值。判斷第三曝光值是否小於選定曝光值，當第三曝光值大於選定曝光值時，維持以原來的選定曝光值做為選定曝光值。若第三曝光值小於選定曝光值時，改以第三曝光值做為選定曝光值。並且依據新的選定曝光值、第三對比值與第三曝光值，計算並取得第三焦距位置之校正後對比值，同時亦依據新的選定曝光值重新計算並取得第一焦距位置及第二焦距位置各別的校正後對比值。

同理的，後續於第四、第五…最終焦距位置都進行同樣的曝光值以及對比值取得的計算。並且當滿足更新條件時，也就是出現更小的曝光值時，更新該選定曝光值，計算並取得滿足更新條件時的焦距位置之校正後對比值，同時更新已取得的對應各個焦距位置的校正後對比值。

在本發明的第一實施例中所提供之自動對焦方法中利用一個校正公式取得校正後對比值。

校正公式為CVn = CVi × 2 EV min – Evi

其中，CVn 是指校正後對比值，CVi 是指於第i個焦距位置所擷取之影像的校正前對比值，EVmin 是指選定曝光值，EVi 是指於第i個焦距位置所擷取之影像的曝光值。

而本發明中提供的自動對焦方法，其中校正前對比值係為對應各個焦距位置的每一影像之複數選定像素之卷積值的平均。其中選定像素可以包括影像中的所有像素。

其中對應每一個影像之對比值CV之計算係為：

Filter = [a1 a2 … an]

CON = [a1x1+a2x2+…+anxn]

CV = (Sum of all CON)/CVcount

其中，Filter係指用以取得卷積值之高通濾波器，a1 ~ an為過濾值(亦可稱為計算卷積值的權重參數)，x1~xn為像素數值(常見多採用亮度值)、CON為卷積值、Sum of all CON為卷積值的總和、以及CVcount 為選定像素區間的數量，在本實施例中係指影像中的所有的像素。

簡化舉例來說，利用的高通濾波器為Filter[1~-1]，將第2A及2B圖中的相同位置的二個像素x1及x2進行卷積的試算如下：

在0EV的狀態下：

Filter = [1 -1]

CON = [1*50+-1*100]

CV = (-50)/1

CVn = 50 × 2 0 – 0=50

在+1EV的狀態下：

Filter = [1 -1]

CON = [1*100+-1*200]

CV = (-100)/1

CV n = 100 × 2 0 – 1=50

便可以將因為曝光值變化而異常提升的對比值，校正回歸到正常的狀態，避免造成誤判。

在本發明的第二實施例中，採用最大曝光值EVmax為選定曝光值。也就是更新條件係為當下一曝光值大於選定曝光值時，以下一曝光值做為選定曝光值。換言之，便是以各焦距位置所取得之全部曝光值之中最大的曝光值，做為選定曝光值。因此，在第二實施例的校正公式為：

校正公式為CVn = CVi × 2 EV max - EVi

其中，CVn為是指校正後對比值，CVi是指於第i個焦距位置所擷取之影像的校正前對比值，EVmax是指選定曝光值，EVi是指於第i個焦距位置所擷取之影像的曝光值。

簡化的利用第2 A及第2B圖中的像素來進行試算：

在+1EV的狀態下，CV = 100 × 2 1 – 1=100

在0EV的狀態下，CV = 50 × 2 1 – 0=100

便可以將因為曝光值變化而異常下降的對比值，校正回歸到正常的狀態，同樣達到避免造成誤判的功效。

此外，由於硬體效能的原因，當所取得影像之中的某些像素值超過飽和時，只能表達出硬體效能所能表達的最高值。當發生這種狀況的時候，由於該些過飽和的像素值都並未被正確的表達，而僅是將所有過飽和的像素都用同一種方式表達。例如當硬體效能所能表達的最高像素值為255時，所有影像中像素值超過255的像素，都僅能被標示為255。這樣的狀況也會造成計算對比值時的誤差。

因此，在本發明第三實施例中所提供的自動對焦方法，其中選定像素的卷積值是指影像之所有像素的卷積值排除此影像之過飽和像素的卷積值。而過飽和像素是指像素值高於過飽和門檻的像素。

在計算CV值時採用如下的方式：

Filter = [a1 a2 … an]

CON1 = [a1x1+a2x2+…+anxn] if x1 x2… xn ＜ saturation_TH

CV = (Sum of all CON1)/CVcount

換句話說，當所取得的x1~xn為像素數值中有任何一個超過飽和門檻(saturation_TH)的時候，在計算總合時就不計入該筆資訊。當計算CVcount 的時候也會-1。通常在設定飽和門檻(saturation_TH)的時候，是依據硬體的效能來設計。假設其硬體效能最高為255，則可以設定250為飽和門檻。如此可以取得足夠的樣本數，並且排除未被正確表達的數值，也可以使計算效能和正確判斷性更提升。

第5圖係為0EV且未超過飽和門檻像素示意圖。第6圖係為+1EV且超過飽和門檻像素示意圖。以下利用第5圖及第6圖作為簡單的示範進行相關的計算。

第5圖中包括有三個像素，像素x1的像素值為50，像素x2的像素值為100，像素x3的像素值為150，並且設定飽和門檻(saturation_TH)為250，採用高通濾波器為Filter[1~-1]。

CONx1-x2= [1*50+-1*100] = 50

CON x2-x3= [1*100+-1*150] = 50

CVcount = 2

CV = (CON x1-x2+ CON x2-x3)/CVcount = 50

第6圖中包括有三個像素，像素x1的像素值為100，像素x2的像素值為200，像素x3的像素值為255，並且設定飽和門檻(saturation_TH)為250，採用高通濾波器為Filter[1~-1]。其中像素x3的像素值超過硬體效能，因此雖然顯示為255但實質上應該超過255。

CONx1-x2= [1*100+-1*200] = 100

CON x2-x3 之中 x3＜ saturation_TH

CVcount = 2-1

CV = (CON x1-x2)/1 = 100

由於第5圖及第6圖的EV值不同，因此會再進行校正：

第5圖在0EV的狀態下，CV = 50 × 2 0 – 0 = 50

第6圖在+1EV的狀態下，CV = 100 × 2 0 – 1 = 50

另外，若是所取得之影像雜訊過多，也會影響判斷效能和計算速度。因此，本發明第四實施例提供的自動對焦方法，其中選定像素的卷積值係為影像之所有像素的卷積值排除此影像之過飽和像素的卷積值與排除此影像之雜訊像素的卷積值。

在計算CV值時採用如下的方式：

Filter = [a1 a2 … an]

CON1 = [a1x1+a2x2+…+anxn] if x1 x2… xn ＜ saturation_TH else

CON2 = CON1 / 2noise_TH

If CON2 ≧1, than CVcount =CVcount + 1

CV = (Sum of all CON2)/CVcount

noise_TH表示雜訊門檻。當CON2 ≧1時表示對比值有效，則CVcount就會+ 1。若當CON2 ＜1時表示對比值為雜訊，該筆CON2不列入計算，則CVcount也不會被計算。

在執行焦點搜尋程序(c)中，可以採用下列不同的實施例。本發明第五實施例所提供的自動對焦方法，其中反轉條件係指全部的校正後對比值中具有一個相對最大值。

如同上述實施例中所述，當完成校正對比值取得程序(b)後，對焦的曲線會由第3圖回歸到第1圖的樣式。當完成全部焦距位置的對比值計算之後，便可以準確的取得校正後對比值中具有一個相對最大值。例如：在第1圖中是指cv50的位置。

本發明第六實施例所提供的自動對焦方法，與本發明第五實施例的差異僅在於，不需完成全部焦距位置的對比值計算。假設在正常狀態下最佳的對焦位置僅會有一個，也就是說曲線僅會有一個最高點。

第7圖係第六實施例之各焦距位置之平均對比值變化分佈圖。當自動對焦過程中，依序在各個焦距位置取得影像並且計算影像對比值，判斷目前的對比值是否較前一對比值為大。當肯定時，繼續前往下一焦距位置並計算下一對比值。當否定時，也就是目前的對比值較前一對比值小，或者可以說是判斷曲線產生反轉的地方。在第7圖中，由cv1~cv50當中各焦距位置的對比值逐漸加大，但是當cv51時，cv50＞cv51便是滿足了反轉條件。

第8圖係攝影裝置系統方塊圖。在本發明實施例亦提供一種攝影裝置，至少包括有鏡頭模組10和影像處理模組20，可以執行如上述之對焦方式。鏡頭模組10中的對焦鏡片110藉由驅動單元120而由一焦距位置移動到下一焦距位置。影像處理模組20的影像感測單元210在各個焦距位置取得對應的影像，並且由運算單元進行對比值的計算和校正。不同實施例中的校正對比值取得程序(b)與執行焦點搜尋程序(c)可以交互搭配使用，以達到最佳的對焦效果。當影像處理單元輸出最大的校正後對比值所對應的焦距位置，再經由驅動單元將對焦鏡片移動到該焦距位置。

雖然本發明的技術內容已經以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神所作些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明的範疇內，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

a‧‧‧步驟a
X1‧‧‧像素x₁
b1‧‧‧步驟b1
X2‧‧‧像素x₂
b2‧‧‧步驟b2
X3‧‧‧像素x₃
b3‧‧‧步驟b3
10‧‧‧鏡頭模組
c1‧‧‧步驟c1
110‧‧‧對焦鏡片
c2‧‧‧步驟c3
120‧‧‧驅動單元
c3‧‧‧步驟c3
20‧‧‧影像處理模組
cv1~cv100‧‧‧對比值
210‧‧‧影像感測單元
X‧‧‧影像的卷積值(對比值)
220‧‧‧運算單元
Y‧‧‧焦距位置(Focus Step)

第1圖係本發明實施例之各焦距位置之平均對比值變化分佈圖。第2A圖係本發明實施例之曝光值為0EV時影像對比值的示意圖。第2B圖係本發明實施例之曝光值為+1EV時影向對比值的示意圖。第3圖係本發明實施例之對焦過程中曝光值變動下各焦距位置之平均對比值變化分佈圖。第4圖係本發明實施例之基本流程圖。第5圖係為0EV且未超過飽和門檻像素示意圖。第6圖係為+1EV且超過飽和門檻像素示意圖。第7圖係本發明實施例之第六實施例之各焦距位置之平均對比值變化分佈圖。第8圖係本發明實施例之攝影裝置系統方塊圖。

a‧‧‧步驟a

b1‧‧‧步驟b1

b2‧‧‧步驟b2

b3‧‧‧步驟b3

c1‧‧‧步驟c1

c2‧‧‧步驟c3

c3‧‧‧步驟c3

Claims

一種自動對焦方法，包含： (a) 獲得一選定曝光值與一校正前對比值，該校正前對比值係對應於一焦距位置； (b) 進行一校正對比值取得程序，包括： (b1) 於一下一焦距位置，取得一下一影像之一下一校正前對比值與一下一曝光值； (b2) 判斷該下一曝光值與該選定曝光值是否滿足一更新條件，其中當該下一曝光值與該選定曝光值滿足該更新條件時，更新該選定曝光值；及 (b3) 依據更新後的該選定曝光值，取得與該校正前對比值相對應的一校正後對比值，並取得與該下一校正前對比值相對應的一下一校正後對比值；以及 (c) 依據該些校正後對比值，執行一焦點搜尋程序，包括： (c1) 依據該些校正後對比值，判斷是否滿足一反轉條件； (c2) 當該反轉條件被滿足時，則輸出最大的該校正後對比值所對應的該焦距位置；及 (c3) 當該反轉條件未被滿足時，執行該校正對比值取得程序。
如請求項1所述之自動對焦方法，其中步驟(a)係包括：於一第一焦距位置，獲得一第一影像及對應該第一影像的一第一曝光值與一第一對比值；及設定該第一曝光值為該選定曝光值，該第一對比值為該校正前對比值。
如請求項1所述之自動對焦方法，其中該更新條件係為該下一曝光值小於該選定曝光值，該步驟(b2)係以該下一曝光值做為該選定曝光值，該步驟(b3)更包括：依據一校正公式取得該些校正後對比值，該校正公式為CVn = CVi X 2^EV ^min ^{- EV} ⁱ ，其中，CV_n 為該些校正後對比值，CV_i 為該些校正前對比值，EV_min 為該選定曝光值，EV_i 為該些曝光值。
如請求項1所述之自動對焦方法，其中該更新條件係為該下一曝光值大於該選定曝光值，該步驟(b2)係以該下一曝光值做為該選定曝光值，該步驟(b3)更包括：依據一校正式取得該些校正後對比值，該校正公式為CVn = CVi X 2 EV max - EVi，其中，CVn為該些校正後對比值，CVi為該些校正前對比值，EVmax為該選定曝光值，EVi為該些曝光值。
如請求項1所述之自動對焦方法，其中該些校正前對比值係為對應各焦距位置的每一影像之複數選定像素之卷積值的平均。
如請求項5所述之自動對焦方法，其中該些選定像素係包括該影像之所有像素。
如請求項5所述之自動對焦方法，其中該些選定像素的卷積值係為該影像之所有像素的卷積值排除該影像之過飽和像素的卷積值。
如請求項7所述之自動對焦方法，其中該過飽和像素係為像素值高於一過飽和門檻的像素。
如請求項8所述之自動對焦方法，其中該選定像素的卷積值係為該影像之所有像素的卷積值排除該影像之過飽和像素的卷積值與排除該影像之雜訊像素的卷積值。
如請求項9所述之自動對焦方法，其中該反轉條件為該些校正後對比值中具有一相對最大值。
一種攝影裝置，用以執行如請求項1至10其中任一項所述之自動對焦方法。